制導(dǎo)雷達(dá)回波信號(hào)模擬器設(shè)計(jì)

宋志剛

（92941部隊(duì)，遼寧葫蘆島 125000）

制導(dǎo)雷達(dá)回波信號(hào)模擬器設(shè)計(jì)

宋志剛

（92941部隊(duì)，遼寧葫蘆島 125000）

運(yùn)用雷達(dá)信號(hào)模擬技術(shù)，研制了指令制導(dǎo)艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)用目標(biāo)模擬系統(tǒng)。闡述了模擬器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、收發(fā)模塊及基于數(shù)字儲(chǔ)頻技術(shù)的信號(hào)模擬模塊硬件設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建出適用于指令制導(dǎo)武器完整作戰(zhàn)過(guò)程的雷達(dá)信號(hào)模擬系統(tǒng)。建立了指令制導(dǎo)武器系統(tǒng)多頻段雷達(dá)回波信號(hào)幅度、結(jié)構(gòu)、多普勒頻率等參數(shù)模型。

制導(dǎo)雷達(dá) 回波模擬器 DRFM FPGA

雷達(dá)回波信號(hào)模擬器廣泛應(yīng)用于雷達(dá)調(diào)試、試驗(yàn)及雷達(dá)對(duì)抗等領(lǐng)域，能夠逼真模擬雷達(dá)信號(hào)替代實(shí)際回波。本文基于DRFM技術(shù)設(shè)計(jì)一種雷達(dá)回波模擬器，用于模擬指令制導(dǎo)導(dǎo)彈武器作戰(zhàn)過(guò)程中相關(guān)雷達(dá)信號(hào)，通過(guò)接收搜索警戒雷達(dá)、跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)等的輻射信號(hào)，經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)和分析，變換和轉(zhuǎn)發(fā)，模擬搜索警戒雷達(dá)、跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)，導(dǎo)彈制導(dǎo)指令等不同頻率回波信號(hào)，代替實(shí)際配合目標(biāo)，保障武器系統(tǒng)完成從搜索、目指、跟蹤制導(dǎo)全過(guò)程。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

模擬器采用數(shù)字射頻存儲(chǔ)器（Data Radio Frequency Memory，DRFM）+上位機(jī)結(jié)構(gòu)。主要由DRFM單元、接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、頻率綜合器、收發(fā)天線及上位機(jī)（CPU板）組成，如圖1所示。

模擬器接收天線接收雷達(dá)輻射的射頻信號(hào)送入接收機(jī)，射頻信號(hào)經(jīng)放大、下變頻，轉(zhuǎn)化為中頻信號(hào)由DRFM進(jìn)行采集、存儲(chǔ)，按要求生成目標(biāo)和雜波信號(hào)，并調(diào)制到數(shù)字中頻信號(hào)上，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出模擬中頻信號(hào)，送發(fā)射機(jī)；發(fā)射機(jī)進(jìn)行上變頻，將中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)，經(jīng)發(fā)射天線向空間輻射，供相應(yīng)雷達(dá)接收。為了保證模擬器接收信號(hào)的頻率與發(fā)射信號(hào)的頻率一致，需要高穩(wěn)定度的頻率合成器及為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)提供上變頻和下變頻所需的本振信號(hào)。

圖1 雷達(dá)回波信號(hào)模擬器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 接收模塊原理框圖

圖3 發(fā)射模塊原理框圖

圖4 DRFM系統(tǒng)原理框圖

1.2 收發(fā)模塊設(shè)計(jì)

收、發(fā)模塊分別集成于一塊6U插板。接收模塊由寬帶射頻模塊、射頻下變頻模塊和中頻下變頻模塊構(gòu)成，如圖2所示。實(shí)現(xiàn)接收雷達(dá)發(fā)射的寬帶射頻信號(hào)，進(jìn)行濾波、增益控制和放大。信號(hào)分兩路，一路由對(duì)數(shù)檢波放大器檢出雷達(dá)射頻脈沖，并與檢波電平信號(hào)進(jìn)行比較，生成視頻檢波信號(hào)，作為DRFM的同步信號(hào)；另一路轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)，經(jīng)低通濾波后送給DRFM處理。

發(fā)射模塊由中頻上變頻模塊、寬帶射頻上變頻模塊和寬帶功放模塊構(gòu)成，如圖3所示。發(fā)射機(jī)采用基于微波單片集成電路（MMIC）多級(jí)放大式設(shè)計(jì)方案，可實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)發(fā)射波形調(diào)制方式及脈沖頻率多樣、功率控制靈活，具有將DRFM輸出的信號(hào)經(jīng)混頻、放大和幅度控制，形成最終的段寬帶射頻信號(hào)，經(jīng)發(fā)射天線輻射到空間功能。

1.3 數(shù)字射頻存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

數(shù)字射頻存儲(chǔ)器（DRFM）是一種可儲(chǔ)存任意射頻信號(hào)，并在延遲可編程時(shí)間后精確輸出的存儲(chǔ)設(shè)備。數(shù)字儲(chǔ)頻具有瞬時(shí)帶寬處理DRFM單元是該模擬器的核心，它存儲(chǔ)、重構(gòu)雷達(dá)中頻信號(hào)，是產(chǎn)生各種目標(biāo)運(yùn)動(dòng)回波和雜波的基礎(chǔ)。DRFM由模/數(shù)（A/D）變換采樣、數(shù)字下變頻（DDC）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、信號(hào)處理器、數(shù)字上變頻（DUC）、數(shù)模（D/A）變換以及輸入/輸出接口電路組成，如圖4所示。A/D采樣轉(zhuǎn)換將輸入信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，完成中頻信號(hào)數(shù)字化過(guò)程。DDC單元實(shí)現(xiàn)數(shù)字中頻信號(hào)的下變頻、數(shù)據(jù)抽取、低通濾波，輸出I/Q正交數(shù)字信號(hào)。數(shù)字上變頻（DUC）單元實(shí)現(xiàn)I/Q正交數(shù)字基帶信號(hào)的低通濾波、數(shù)據(jù)插值、正交上變頻到數(shù)字中頻信號(hào)。D/A轉(zhuǎn)換器將模擬的中頻數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻模擬信號(hào)，輸入發(fā)射機(jī)。FPGA為信號(hào)處理器，對(duì)目標(biāo)信號(hào)、二次反射信號(hào)進(jìn)行多普勒頻移、距離延遲處理和幅度的調(diào)制，對(duì)雜波進(jìn)行功率譜和距離延遲調(diào)制，形成雷達(dá)回波信號(hào)。

能力，存儲(chǔ)頻率精度高，信號(hào)相位信息不丟失，保真度好，存儲(chǔ)時(shí)間不受限制，連續(xù)復(fù)制的信號(hào)與原雷達(dá)信號(hào)完全一致，能逼真模擬多普勒信號(hào)和脈沖壓縮信號(hào)。

2 雷達(dá)回波信號(hào)模型

雷達(dá)回波的特性參數(shù)包括目標(biāo)距離、回波幅度、幅度起伏、多普勒頻移等。模擬器模擬的回波形式為數(shù)字回波，其可根據(jù)模型生成的數(shù)據(jù)或使用實(shí)采信號(hào)生成。實(shí)采回波的準(zhǔn)確度由回波采集器的精度和準(zhǔn)確度決定；模擬的數(shù)字回波的準(zhǔn)確度由目標(biāo)模型和環(huán)境模型的選擇決定。本系統(tǒng)模擬信號(hào)為由上位機(jī)根據(jù)下述模型計(jì)算產(chǎn)生數(shù)字回波。目標(biāo)距離的模擬由設(shè)定的目標(biāo)進(jìn)入距離、運(yùn)動(dòng)速度和方向以及雷達(dá)工作時(shí)間的變化計(jì)算產(chǎn)生，回波幅度的模擬要根據(jù)距離方程和目標(biāo)散射截面的變化計(jì)算產(chǎn)生，多普勒頻率的模擬主要體現(xiàn)在目標(biāo)回波的相位變化。

3 設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的便攜性要求，需將系統(tǒng)將高頻、中頻信號(hào)集成于一塊插板，多種頻段雷達(dá)信號(hào)集中于一個(gè)工控機(jī)箱內(nèi)處理，為保證系統(tǒng)正常工作，需要考慮電磁兼容、散熱等設(shè)計(jì)。

3.1 電磁兼容特性設(shè)計(jì)

高、中、低頻信號(hào)相互交錯(cuò)，高速PCB布線的不合理，相互之間會(huì)產(chǎn)生較大干擾，影響系統(tǒng)的電磁兼容特性，在設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮。器件的選用應(yīng)充分考慮各自的輸入輸出信號(hào)、工作頻率等。DRFM中高性能A/D變換器的電磁輻射較強(qiáng)且易受干擾，應(yīng)使用屏蔽罩將其屏蔽，隔絕內(nèi)外信號(hào)串?dāng)_。為防止插板間干擾，高頻電路插板也應(yīng)加屏蔽罩。同時(shí)，PCB采用多層板，使用獨(dú)立的電源層和接地層，數(shù)字地、模擬地、系統(tǒng)地和屏蔽地應(yīng)分別考慮，采用多點(diǎn)接地和就近接地，把不同功能的地線分開。在布線方向，盡量減少電源線走線的有效包圍面積，避免長(zhǎng)距離平行布線及導(dǎo)線夾角大于90度，避免信號(hào)產(chǎn)生反射和諧波。

3.2 散熱設(shè)計(jì)

PCB電路板中包含有大功率器件，工作過(guò)程中散熱量較大，為主要散熱器件。芯片的選擇應(yīng)盡量選用性能等級(jí)較高的系列，另外整個(gè)目標(biāo)模擬系統(tǒng)的機(jī)箱應(yīng)具有良好的散熱性，否則，熱積累到一定程度后，可能會(huì)發(fā)生溫漂，輸出數(shù)據(jù)誤差增大。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)基于DRFM的制導(dǎo)雷達(dá)回波信號(hào)模擬器的總體方案設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用了系統(tǒng)模擬的思想和模塊化設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)低成本、便攜要求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)靈活，具有良好的通用性和擴(kuò)展性。

［1］賈文超.基于DSP處理器的多普勒雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，28（1）：70-73.

［2］沈昆.雷達(dá)干擾信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2004，22（5）：36-37.